Читать книгу Биология. Общая биология. 10–11 классы - В. В. Пасечник - Страница 27

1. Какие виды автотрофного питания вы знаете?

2. Как называются органоиды клетки, в которых происходит фотосинтез?

3. Что такое ароморфоз?

Фотосинтез. Солнце было и остается неисчерпаемым источником энергии для нашей планеты. Важнейшим ароморфозом архейской эры стало возникновение фотосинтеза – процесса, с помощью которого часть живых существ «научилась» использовать энергию солнечного света для синтеза необходимых им веществ.

Фотосинтезирующими органоидами зеленых растений служат хлоропласты. Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны). На мембранах тилакоидов расположены особые комплексы, в которые входят молекулы хлорофилла, а также переносчиков электронов – цитохромов. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Существует несколько видов молекул хлорофилла, различающихся по длине волны улавливаемых квантов. Основными «ловцами» световых частиц являются хлорофиллы а_I (с длиной волны улавливаемых квантов 700 нм) и а_II (680 нм). Другие пигменты выполняют вспомогательную роль.

Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую. Во время световой фазы накапливается энергия, необходимая для синтеза органических веществ, происходящего в темновой фазе.

Рис. 41. Схема фотосинтеза у растений

Световая фаза. Процесс световой фазы фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды (рис. 41). Реакции происходят на мембранах хлоропластов.

Фотосистема I. Молекулы хлорофилла а_I поглощают свет с длиной волны 700 нм. Электроны, получившие избыток энергии, участвуют в реакции диссоциации воды (Н₂O = Н⁺ + ОН⁻). Электроны и ионы водорода реагируют с НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфата):

НАДФ⁺ + 2e + 2Н⁺ = НАДФ Н + Н⁺.

Полученное в данной реакции вещество НАДФ Н играет роль восстановителя в реакциях темновой фазы.

Процесс распада воды до Н⁺ и ОН⁻, протекающий при участии электронов, имеющих избыток энергии за счет фотореакций, получил название фотолиза воды.

Фотосистема II. Молекулы хлорофилла а_II поглощают свет с длиной волны 680 нм. Электроны с избыточной энергией по системе цитохромов переносятся на молекулы хлорофилла а_I и занимают пустующие орбитали, которые раньше занимали электроны, связавшиеся с ионами водорода в ходе фотолиза воды. (При прохождении электронов по цепочке цитохромов часть их энергии используется для синтеза АТФ.) В результате возникает нехватка электронов в молекулах хлорофилла а_II. Эта нехватка восполняется электронами гидроксид-анионов (ОН⁻), которые образовались в ходе того же фотолиза воды. Отдавая электроны молекулам хлорофилла а_II, эти ионы превращаются в гидроксид-радикалы:

ОН⁻ – е = ОН

Гидроксид-радикал – это чрезвычайно неустойчивое химическое соединение, поэтому, только образовавшись, оно самопроизвольно превращается в воду и свободный кислород, выделяемый растением во внешнюю среду:

4ОН = 2Н₂О + О₂.

Таким образом, кислород, которым дышит подавляющее большинство живых организмов на Земле, представляет собой побочный продукт фотосинтеза, образующийся вследствие фотолиза воды.

В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия (НАДФ Н и АТФ), которая тратится в процессах темновой фазы. Синтез АТФ из АДФ за счет энергии света – очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях.

Темновая фаза. Если световая фаза может протекать только при освещении растения, то реакции темновой фазы протекают независимо от света. Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФ Н и АТФ. Источник углерода – СO₂ – растение получает из воздуха через устьица. В реакциях темновой фазы СO₂ восстанавливается до глюкозы, причем этот процесс протекает с затратами энергии, запасенной в молекулах АТФ и НАДФ Н. Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина, по имени его открывателя.

Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице 5.

Продуктивность фотосинтеза весьма высока: за один час на 1 м² площади листа синтезируется до 1 г Сахаров; при этом часть энергии выделяется в виде тепла.

В результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство уровня СO₂ и O₂ в атмосфере. В верхних слоях воздушной оболочки (на высоте 15–20 км) Земли из кислорода образуется озон, имеющий химическую формулу O₃. Озоновый слой защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.